李鳳龍楊宏民,2陳立偉,2

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000; 2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南省焦作市,454000)

大直徑高位鉆孔治理綜放工作面初采期瓦斯涌出?

李鳳龍1楊宏民1,2陳立偉1,2

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000; 2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南省焦作市,454000)

針對(duì)陽煤一礦北丈八井采用偽傾斜后高抽巷治理綜放工作面初采期瓦斯涌出不均衡,由此造成的施工工期長(zhǎng)、工程量大、成本高、采掘接替緊張的問題,在81102綜放工作面進(jìn)行了大直徑高位鉆孔代替?zhèn)蝺A斜后高抽巷的試驗(yàn),研究了兩者的抽采技術(shù)機(jī)理和抽采效果。結(jié)果表明:大直徑高位鉆孔能成功解決工作面初采期的瓦斯不均衡涌出和頻繁超限問題,工作面初采期間,回風(fēng)流瓦斯涌出相對(duì)平穩(wěn),未出現(xiàn)瓦斯涌出峰值;瓦斯抽采量穩(wěn)定上升,最終達(dá)到26.97 m3/min。認(rèn)為用大直徑高位鉆孔代替?zhèn)蝺A斜后高抽巷是可行的。

大直徑高位鉆孔 偽傾斜后高抽巷 瓦斯抽采 鄰近層

瓦斯事故嚴(yán)重威脅、制約著礦井的安全生產(chǎn)。隨著礦井生產(chǎn)強(qiáng)度的增加,礦井瓦斯涌出量增加,鄰近層瓦斯涌出現(xiàn)象加劇,尤其是初采期間,受采動(dòng)影響,鄰近層瓦斯涌出不穩(wěn)定,造成工作面瓦斯頻繁超限,影響工作面正常生產(chǎn)。目前抽放鄰近層瓦斯的常用方法主要有頂板走向鉆孔、傾向穿層鉆孔、走向高抽巷和傾斜高抽巷等,單一的采用這些抽采方法不能解決初采期間瓦斯的不穩(wěn)定涌出,嚴(yán)重影響工作面的正常回采。采用偽傾斜后高抽巷配合走向高抽巷抽放瓦斯技術(shù)能夠解決工作面初采期瓦斯的不穩(wěn)定涌出問題,但由于偽傾斜后高抽巷施工精度要求高,巷道層位不易掌握,且施工工期長(zhǎng),工程量大,成本高,容易造成礦井采掘接替緊張?；诖?在陽煤一礦北丈八井進(jìn)行了大直徑高位鉆孔代替?zhèn)蝺A斜后高抽巷的試驗(yàn)。

1 礦井概況

陽煤一礦位于陽泉市西北20 km,下屬北丈八井和北頭嘴井生產(chǎn)礦井。井田位于沁水盆地東北邊緣,構(gòu)造形態(tài)基本上呈單斜狀,其走向?yàn)槲鞅?傾向?yàn)槟衔鳌Ｑ貑涡弊呦蚝蛢A向均發(fā)育有次一級(jí)的較平緩的褶曲群和層間斷裂構(gòu)造,局部地段發(fā)育有陡傾撓曲,陷落柱發(fā)育。礦井主要開采石炭二疊系山西組和太原組煤層,可采3＃、8＃、12＃、15＃煤層,核定生產(chǎn)能力7.5 Mt/a。該礦井屬于高瓦斯礦井,采用主斜井、副立井綜合開拓方式開采15＃煤層,通風(fēng)方式為中央分列式,通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。

2 綜放工作面初采期瓦斯涌出特征分析

15＃煤層為全井田可采煤層,煤層厚度為4.77～9.03 m,平均煤厚6.91 m。頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖,底板巖性為泥巖。

15＃煤層采用綜采放頂煤開采方式,采高2.7 m,頂煤厚3.5～4 m;自然冒落法管理頂板, U＋I(xiàn)型通風(fēng)方式,外加走向高抽巷治理上鄰近層瓦斯涌出。煤層瓦斯含量為5.67～7.13 m3/t,雖然本煤層瓦斯含量不大,但其上部鄰近層12＃、13＃煤層瓦斯含量較高,并存在K2、K3兩層富含瓦斯石灰?guī)r。

15＃煤層回采期間,隨著上覆巖層逐漸垮落,鄰近層卸壓瓦斯大量涌向工作面,造成工作面瓦斯嚴(yán)重超限。采用單一的走向高抽巷雖然能很好地抽出鄰近層瓦斯,但初采期間,由于僅有直接頂垮落,基本頂未垮落,裂隙不能到達(dá)高抽巷,上鄰近層瓦斯大量涌向回采工作面,對(duì)初采期的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。以81002綜放工作面為例,工作面初采期間,隨直接頂、基本頂?shù)目迓?造成了2次不穩(wěn)定涌出高峰。81002工作面初采期瓦斯涌出特征如圖1所示。從圖1可以看出:

圖1 81002工作面初采期瓦斯涌出特征

(1)從工作面開始回采到推進(jìn)距開切巷10 m以內(nèi),由于直接頂尚未斷裂,鄰近的含瓦斯圍巖和煤層尚未卸壓,工作面瓦斯主要來源于割煤、放頂煤產(chǎn)生的瓦斯。瓦斯涌出量比較穩(wěn)定,為3.75 m3/min;隨著工作面的推進(jìn),當(dāng)工作面距切巷10 m以后時(shí),隨著直接頂逐漸冒落,含瓦斯的上鄰近煤巖層逐漸卸壓,瓦斯涌出量逐漸增大。當(dāng)工作面距切巷17 m時(shí),瓦斯涌出量增大到14.34 m3/min,工作面瓦斯涌出出現(xiàn)第1次高峰,工作面瓦斯開始頻繁超限。

(2)在工作面距切巷24～34 m左右時(shí),上覆13＃煤層卸壓,大量卸壓瓦斯涌向回采工作面,工作面瓦斯涌出出現(xiàn)第2次高峰,為初采期瓦斯涌出量最大值,達(dá)到28.76 m3/min。同時(shí),走向高抽巷開始抽出瓦斯,瓦斯抽采量為14.66 m3/min。

(3)當(dāng)工作面推進(jìn)到距切巷34 m時(shí),走向高抽巷得到充分卸壓,抽出大量瓦斯,抽采量達(dá)到31.8 m3/min,風(fēng)排瓦斯量降為22.47 m3/min。此后,由于走向高抽巷的作用,工作面瓦斯涌出量迅速下降,風(fēng)排瓦斯量逐漸降低到10 m3/min左右。瓦斯超限問題得到緩解,工作面安全有了保障。

3 偽傾斜后高抽巷治理綜放工作面初采期瓦斯涌出存在的問題

針對(duì)81002工作面出現(xiàn)的問題,陽煤集團(tuán)采用偽傾斜后高抽巷配合走向高抽巷治理15＃煤層綜放工作面初采期瓦斯不穩(wěn)定涌出問題。

以8902工作面為例,該工作面采用偽傾斜后高抽巷配合走向高抽巷治理鄰近層瓦斯涌出。該工作面回采期間,統(tǒng)計(jì)了該工作面從開始回采到45 m距離內(nèi)高抽巷瓦斯抽采濃度和流量,收集了回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量,并繪制了抽采量和風(fēng)排瓦斯量隨推進(jìn)距離的變化曲線,如圖2所示。

由圖2可以看出:8902工作面從開始回采到推進(jìn)至10 m以前時(shí),這一階段風(fēng)排瓦斯量變化不大,平均為4.42 m3/min;當(dāng)工作面推進(jìn)至17 m左右時(shí)直接頂初次垮落,出現(xiàn)第1次瓦斯涌出高峰;推進(jìn)25 m左右時(shí)直接頂大面積垮落,裂隙發(fā)育到13＃煤層時(shí)出現(xiàn)第2次瓦斯涌出高峰,但由于偽傾斜后高抽巷的布置,抽采了大量近距離鄰近層的卸壓瓦斯,這一階段抽放純量增加至17.61 m3/ min,風(fēng)排瓦斯量相應(yīng)增加,并未出現(xiàn)像81002工作面開采初期瓦斯涌出大幅度變化的情況(見圖1),風(fēng)排瓦斯量平均11.40 m3/min,瓦斯超限次數(shù)大幅減少;工作面推進(jìn)至34 m時(shí),老頂初次來壓,卸壓帶高度達(dá)到走向高抽巷,抽放純量增加至23.04 m3/min,此時(shí)工作面風(fēng)排瓦斯量平均為9.61 m3/min。

圖2 8902工作面初采期瓦斯涌出特征

偽傾斜后高抽巷雖然成功解決了綜放工作面初采期瓦斯不穩(wěn)定涌出問題,但由于偽傾斜后高抽巷是在巖巷中掘進(jìn),生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工期長(zhǎng)、成本高、容易造成采掘銜接緊張等問題,影響礦井的安全生產(chǎn)。

4 大直徑高位鉆孔布置

針對(duì)偽傾斜后高抽巷的弊端,提出了采用大直徑高位鉆孔替代偽傾斜后高抽巷的試驗(yàn)。試驗(yàn)在15＃煤層的81102工作面進(jìn)行。該工作面與8902工作面相似,煤層平均煤厚6.65 m,工作面走向長(zhǎng)為1166 m,傾向長(zhǎng)240.5 m。采用綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板。共布置進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷、走向高抽巷4條巷道。內(nèi)錯(cuò)尾巷距回風(fēng)巷15 m處平行回風(fēng)巷布置;走向高抽巷前346 m布置在工作面上方距15＃煤層43.5 m的12＃煤層中,后745 m布置在距15＃煤層35.8 m的13＃煤層中,水平方向距工作面回風(fēng)巷30 m。

為了治理初采期鄰近層卸壓瓦斯不均衡的涌向回采工作面,造成工作面瓦斯超限事故,在距81102工作面回風(fēng)巷30 m處的切眼巷內(nèi),即走向高抽巷正下方的煤幫鉆場(chǎng),向工作面推進(jìn)方向的斜上方施工3個(gè)大直徑鉆孔,如圖3所示。鉆孔直徑為193 mm,孔深55～60 m。鉆孔施工采用MKD-5S型全液壓鉆機(jī)二次成孔的辦法,即首先施工直徑為115 mm的鉆孔與走向高抽巷連通,然后再使用直徑為193 mm的大直徑鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔,鉆孔布置參數(shù)見表1。

表1 大直徑鉆孔布置參數(shù)表

圖3 81102工作面鉆孔布置圖

5 大直徑鉆孔治理綜放工作面初采期瓦斯涌出效果分析

81102工作面回采期間,統(tǒng)計(jì)了該工作面從開始回采到45 m距離內(nèi)高抽巷瓦斯抽采濃度和流量,收集了回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量,并繪制了抽采量和風(fēng)排瓦斯量隨推進(jìn)距離的變化曲線,如圖4所示。

81102工作面從開始回采到推進(jìn)至10 m以前時(shí),這一階段風(fēng)排瓦斯量相對(duì)穩(wěn)定,平均為3.57 m3/min;當(dāng)工作面推進(jìn)至17 m左右時(shí)直接頂初次垮落,出現(xiàn)第1次瓦斯涌出高峰,推進(jìn)到24 m左右時(shí)直接頂大面積垮落,裂隙發(fā)育到13＃煤層時(shí)出現(xiàn)第2次瓦斯涌出高峰,但由于大直徑高位鉆孔的布置,抽采了大量近距離鄰近層卸壓瓦斯,這一階段抽放純量增加至20.52 m3/min,風(fēng)排瓦斯量相應(yīng)增大,沒有出現(xiàn)像81002工作面開采初期瓦斯涌出大幅度變化的情況(見圖1),風(fēng)排瓦斯量平均12.19 m3/min,瓦斯超限次數(shù)大幅減少;工作面推進(jìn)至34 m時(shí),老頂初次來壓,卸壓帶高度達(dá)到走向高抽巷,抽放純量增加至26.97 m3/min,此時(shí)工作面風(fēng)排瓦斯量平均為10.26 m3/min。

圖4 81102工作面初采期瓦斯涌出特征

通過對(duì)比分析81102工作面和8902工作面回采期間瓦斯涌出規(guī)律可以看出:由于大直徑高位鉆孔的連通,在81102工作面初采期間,工作面風(fēng)排瓦斯量相對(duì)平穩(wěn),平均12.19 m3/min,抽采瓦斯量穩(wěn)定上升,最終達(dá)到26.97 m3/min;8902工作面初采期間,工作面風(fēng)排瓦斯量平均11.40 m3/min,抽采瓦斯量為23.04 m3/min。由此可以得出,采用大直徑高位鉆孔與高抽巷溝通聯(lián)抽工作面開采初期鄰近層泄壓瓦斯的方法能夠替代高抽巷的偽斜巷道達(dá)到同樣的效果,同時(shí)還具有工期短、成本低、施工簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)等偽傾斜后高抽巷不具備的優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)語

大直徑高位鉆孔克服了偽傾斜后高抽巷施工工程量大、工期長(zhǎng)、成本高、采掘銜接緊張的問題,同時(shí)很好地解決了綜放工作面初采期鄰近層卸壓瓦斯的不均衡涌出,有效地防止了工作面由于鄰近層瓦斯的不均衡涌出造成的瓦斯超限事故,保證了礦井的安全生產(chǎn)。由于大直徑高位鉆孔在瓦斯防治工程費(fèi)用和施工工期上的相對(duì)優(yōu)越性,在抽放工藝的改進(jìn)中代替?zhèn)蝺A斜后高抽巷將是必然的趨勢(shì)。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

北京市關(guān)停燃煤電廠將削減燃煤量920萬t/a

為構(gòu)建現(xiàn)代城市能源體系,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,提升空氣質(zhì)量,北京市將大幅壓減煤炭消費(fèi)量,提升清潔能源使用比例。目前,北京四大燃煤電廠已有3座關(guān)停,燃煤電廠全部關(guān)停后預(yù)計(jì)將削減燃煤量920萬t/a。

根據(jù)《北京市2013－2017年加快壓減燃煤和清潔能源建設(shè)工作方案》(以下簡(jiǎn)稱《工作方案》)顯示,北京市將利用4年時(shí)間建設(shè)四大燃?xì)鉄犭娭行?全面關(guān)停燃煤火電廠;清潔能源發(fā)電比例將達(dá)到100%,削減燃煤量920萬t/a。

北京四大燃煤電廠分別為大唐高井燃煤熱電廠、京能石景山熱電廠、國(guó)華燃煤熱電廠、華能燃煤熱電廠。這四大燃煤電廠預(yù)計(jì)于2016年底全部關(guān)停。四大熱電廠燃煤機(jī)組全面關(guān)停后,北京市將陸續(xù)建成四大燃?xì)鉄犭娭行?構(gòu)建以天然氣、電能為主的能源體系,城市核心區(qū)實(shí)現(xiàn)無煤化。

Gas emission at fully mechanized working face during initial gas drainage by large-diameter high-level boreholes

Li Fenglong1,Yang Hongmin1,2,Chen Liwei1,2
(1.College of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China; 2.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control,Jiaozuo,Henan 454000,China)

Aimed at the instability of gas emission at fully mechanized working face during gas drainage in the false-inclined rear-high drainage roadway of Beizhangba shaft in No.1 Mine of Yangquan Coal Industry Group,resulting long construction period,great engineering quantity, high cost and difficulties in the excavation schedule,the test of gas drainage by large-diameter high-level boreholes instead of false-inclined rear-high drainage roadway was carried out at 81102 working face and their drainage principles and effects were studied.The results showed that large-diameter high-level boreholes could solve the instability of gas emission and frequent gas overrun.During the initial drainage,the gas emission in return-air current was steady,without emission peak.Moreover,the gas-drainage rate was steadily increased up to 26.97 m3/min.So the gas drainage by large-diameter high-level boreholes is feasible.

large-diameter high-level boreholes,false-inclined rear-high drainage roadway, gas drainage,adjacent layer

TD712.5

A

李鳳龍(1988－),男,河南信陽人,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)榈V山災(zāi)害預(yù)防與控制。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174081)